CN102564624B - 一种微机械温度传感器结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微机械温度传感器结构，包括从下至上顺次叠放的衬底、绝缘层，绝缘层上还设有悬臂梁和尖端阴极；悬臂梁和尖端阴极均与绝缘层连接，悬臂梁前部伸出处为悬空状态的自由端，且和尖端阴极的尖端间隙设置；所述悬臂梁为双层结构，上下两层材质的热膨胀系数不等，其上层材质为金属。本发明制造工艺简单，灵敏度高，温度测量范围宽，可以在零下80度低温下工作，采用微机械加工，可批量生产器件，使成本降低和一致性等性能得到提高。

Description

一种微机械温度传感器结构
技术领域
本发明涉及一种高灵敏微机械温度传感器结构，尤其是采用微机械加工技术实现的电流输出的温度传感器结构。
背景技术
温度传感器是应用范围极其广泛，其类型也非常多。如传统的热电偶、热敏电阻、水银或酒精温度计和半导体温度传感器等。传统的热电偶、热敏电阻等结构简单，成本低。但测量精度有一定限制。半导体温度传感器具有灵敏度高、体积小、功耗低、时间常数小、自热温升小、抗干扰能力强等诸多优点,但其工作温度范围窄( - 55～150 ℃左右)，难以应用到一些特殊低温应用领域如探空仪等。
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有的温度传感器结构简单的测量精度低，测量精度高的，工作温度范围窄，难以应用到一些特殊低温应用领域。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种微机械温度传感器结构，包括从下至上顺次叠放的衬底、绝缘层，绝缘层上还设有悬臂梁和尖端阴极；悬臂梁和尖端阴极均与绝缘层连接，悬臂梁前部伸出处为悬空状态的自由端，且和尖端阴极的尖端间隙设置；所述悬臂梁为双层结构，上下两层材质的热膨胀系数不等，其上层材质为金属。
工作时，在悬臂梁与尖端阴极之间加一合适的正电压，将在尖端阴极处产生尖端放电现象，形成电子发射，也即场发射。该发射电流的大小取决于悬臂梁和尖端阴极之间间隙的间距大小；由于悬臂梁为双层结构，且上下两层的热膨胀系数不等，因此，环境温度的变化会导致悬臂梁产生弯曲，从而改变了悬臂梁和尖端的间距，进而使发射电流发生改变；通过测量该发射电流就可反应环境温度的变化。
为便于生产，悬臂梁和尖端阴极均为双层结构，且结构相同。在制作中采用一次光刻技术制作悬臂梁和尖端阴极，便于生产，生产的悬臂梁和尖端阴极结构相同。
本发明的优点是：制造工艺简单，灵敏度高，温度测量范围宽，可以在零下80度低温下工作，采用微机械加工，可批量生产器件，使成本降低和一致性等性能得到提高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明包括衬底1、绝缘层2，悬臂梁3和尖端阴极5；绝缘层2叠放在衬底1上部，悬臂梁3和尖端阴极5采用压焊方式与绝缘层2连接，连接处为压焊区4；悬臂梁3前部伸出处于悬空状态的自由端，且和尖端阴极5的尖端相对间隙设置；所述悬臂梁3为双层结构，上下两层材质的热膨胀系数不等，保证了在工作环境发生改变时，悬臂梁3的自由端会产生向上或向下的弯曲；前述压焊区4用于与外设的电流检测电路连接，悬臂梁3的上层采用金属材质，便于将电流从压焊区4传导到电路。
工作时，在悬臂梁3与尖端阴极5之间施加一合适的正向电压，使尖端阴极5的尖端处电场集中，发生场发射。该发射电流满足F-N公式：
Figure 2011104475082100002DEST_PATH_IMAGE001
式中，A，B为常数；f为金属表面功函数；E为尖端阴极4表面的电场；t2(y)近似等于1.1；q(y)=0.95-y2,其中
Figure 2011104475082100002DEST_PATH_IMAGE002
。由上式可见，发射电流和尖端阴极5表面的电场呈指数变化关系，而电场和悬臂梁3与尖端阴极5之间的间距成反比；因此只要很小的间距变化就会引起很大的发射电流变化；悬臂梁3由两具有较大热膨胀系数差异的材料构成，因此当环境温度变化时，将引起悬臂梁3的自由端发生弯曲，从而改变其与尖端阴极5的间距，最终使发射电流产生较大变化。
该传感器结构的制作过程为：首先选取（100）晶向的半导体材料制作衬底1，如硅片；然后在硅片上表面氧化形成氧化硅绝缘层2；再在绝缘层2上生长两层不同热膨胀系数的金属，如铬/铝；光刻并刻蚀该两层金属形成悬臂梁3和金属阴极5及压焊区4最后，做第二次光刻，去除部分绝缘层2，使悬臂梁3的前部自由端处于悬空状态，其他地方用光刻胶保护。

Claims (2)

1.一种微机械温度传感器结构，其特征是：包括从下至上顺次叠放的衬底、绝缘层，悬臂梁和尖端阴极位于同一层，平行设置绝缘层上；悬臂梁和尖端阴极采用压焊方式与绝缘层连接，连接处为压焊区，悬臂梁前部伸出处为悬空状态的自由端，且和尖端阴极的尖端间隙设置；前述压焊区用于与外设的电流检测电路连接，悬臂梁为双层结构，上下两层材质的热膨胀系数不等，其上层材质为金属，便于将电流从压焊区传导到电路。
2.根据权利要求1所述的一种微机械温度传感器结构，其特征在于，悬臂梁和尖端阴极均为双层结构，且结构相同。
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